Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин

На роторе синхронного генератора расположен источник МДС (индуктор), создающий в генераторе магнитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n1. При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле.

До недавнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 82, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (парал­лельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r1)и подвозбудителя (r2).

В синхронных генераторах средней и большой мощности про­цесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах большой мощности — турбогене­раторах — иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель. Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индуктор­ного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рис. 82, б), у которого обмотка 2, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) – генератора постоянного тока.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 82. Контактная (а) и бесконтактная (б) системы электромагнитно­го

возбуждения синхронных генераторов

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 83, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 83. Принцип самовозбуждения синхронных генера­торов

На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразо­вателем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой пе­регрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включае­мые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД тиристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбужде­ния с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхрон­ных двигателей получили возбудительные тиристорные устройст­ва типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В).

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5% полезной мощности машины (меньшее значение от­носится к машинам большой мощности).

В синхронных машинах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, когда на роторе машины располагаются постоянные магниты. Такой способ воз­буждения дает возможность избавить машину от обмотки возбуж­дения. В результате конструкция машины упрощается, становится более экономичной и надежной. Однако из-за дефицитности мате­риалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбу­ждения постоянными магнитами ограничивается лишь машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют способы возбуждения синхронных машин?

2. Объясните назначение тиристорного преобразователя в системе самовозбуж­дения синхронного генератора?

3. Объясните устройство явнополюсных и неявноплюсных роторов?

4. Объясните устройство синхронного двигателя серии СДН2?

5. Какие применяются способы крепления полюсов в синхронных явнополюс­ных машинах?

6. Чем обеспечивается неравномерный воздушный зазор в синхронной маши­не?

Лекция № 15

§

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения Fв0и статора (якоря) F1, при этом МДС статора (якоря) воз­действует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле воз­буждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакци­ей якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в маши­не сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и ряда других величин, связан­ных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины рассмотрим случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС Возбуждение синхронных машин,индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС Возбуждение синхронных машинв0) на 90°. Что же каса­ется вектора тока в обмотке статора I1, то он может занимать по отношению к вектору Возбуждение синхронных машин различные положения, определяемые углом ψ1 в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка1 = 0). На рис. 84, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует мак­симуму ЭДС Возбуждение синхронных машин в фазной обмотке. Так как ток при активной на­грузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ро­тора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнит­ной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора Возбуждение синхронных машин1 направлена перпендикулярно МДС возбуждения Возбуждение синхронных машинb . Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генерато­ра проводим вектор МДС возбуждения Возбуждение синхронных машинb;под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС Возбуждение синхронных машин, наведен­ной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора Возбуждение синхронных машин1 совпадает по фазе с ЭДС Возбуждение синхронных машин, а поэтому вектор МДС Возбуждение синхронных машин1, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора Возбуждение синхронных машинb на 90°.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 84. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а),

индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Такое воздействие МДС статора (якоря) Возбуждение синхронных машин1на МДС возбуж­дения Возбуждение синхронных машинb вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем по­люса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 85). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнит­ное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора проис­ходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев по­люсных наконечников и находящихся над ними участков зубцово­го слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е1.

Индуктивная нагрузка1 = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора Возбуждение синхронных машин1, отстает по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машинна 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соот­ветствующего максимуму ЭДС Возбуждение синхронных машин(см. рис. 84, б). При этом МДС Возбуждение синхронных машин1действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС воз­буждения Возбуждение синхронных машинb. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F1ослабляет поле машины. Сле­довательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассмат­риваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (ψ = –90°). Так как ток I1, при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС Возбуждение синхронных машинна 90°, то своего наибольшего значения он дости­гает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показан­ное на рис. 84, в. Магнитодви­жущая сила статора Возбуждение синхронных машин1 так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения Возбуждение синхронных машинb. При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного гене­ратора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 85. Магнитное поле син­хронного генератора при актив­ной нагрузке

Смешанная нагрузка.При смешанной нагрузке син­хронного генератора ток стато­ра I1, сдвинут по фазе относи­тельно ЭДС Возбуждение синхронных машин на угол ψ1,значения которого находятся в пределах 0 < ψ1 < ±90°. Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диа­граммами МДС, представлен­ными на рис. 86.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 86. Реакция якоря при сме­шанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 86, а)вектор Возбуждение синхронных машин1 от­стает от вектора Возбуждение синхронных машинна угол 0 < ψ1 < 90° . Разложим вектор F1на две составляющие: продольную составляющую МДС статора Возбуждение синхронных машин и поперечную составляющую МДС статора Возбуждение синхронных машин . Такое же разложение МДС якоря F1на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 86, б). Поперечная составляющая МДС статора F1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки Возбуждение синхронных машин , т. е.

Возбуждение синхронных машин , (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F1dпредставляю­щая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки Возбуждение синхронных машин , т. е.

Возбуждение синхронных машин . (20.14)

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отста­ет по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин(нагрузка активно-индуктивная), то МДС F1dразмагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока Возбуждение синхронных машин опережает по фазе ЭДС Возбуждение синхронных машин(нагрузка активно-емкостная), то МДС F1dподмагничивает генератор.

Направление вектора Возбуждение синхронных машин относительно вектора Возбуждение синхронных машинbопределяет­ся характером реакции якоря, который при токе нагрузки İ1, от­стающем по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин, является размагничивающим, а при токе İ1, опережающем по фазе ЭДС Возбуждение синхронных машин, — подмагничивающим.

§

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, от­личается от напряжения этого генератора в режиме х.х. Это объясняет­ся влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассея­ния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Как было установлено, при работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодейст­вуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, ус­ловно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток.

Влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МДС обмотки возбуждения Fв0создает магнитный поток возбуждения Ф, который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора E.

2. МДС реакции якоря по продольной оси F1dсоздает магнит­ный поток Ф1d, который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E1d, значение которой пропорционально индук­тивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси xad. Это сопротивление характеризует уровень влияния реак­ции якоря по продольной оси на работу синхронного генератора. Так, при насыщенной магнитной системе машины магнитный по­ток реакции якоря Ф1dменьше, чем при ненасыщенной магнитной системе. Объясняется это тем, что поток Ф1d почти полностью проходит по стальным участкам магнитопровода, преодолевая не­большой воздушный зазор,а поэтому при маг­нитном насыщении сопротивление этому потоку заметно возрас­тает. При этом индуктивное сопротивление x1dуменьшается.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси F1qсоздает магнит­ный поток Ф1q, который наводит в обмотке статора ЭДС Е1q, значение которой пропорционально индуктивному сопро­тивлению реакции якоря по поперечной оси xaq. Со­противление xaqне зависит от магнитного насыщения машины, так как при явнополюсном роторе поток Ф1qпроходит в основном по воздуху межполюсного пространства.

Сейчас читают:  Устранение стука спереди слева подтяжка рулевой рейки 06.10.2016

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Фσ1 наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния Е σ1,значение ко­торой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора x1:

Возбуждение синхронных машин . (20.26)

5. Ток в обмотке статора I1создает активное падение напря­жения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r1:

Возбуждение синхронных машин . (20.27)

Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, наведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора:

Возбуждение синхронных машин . (20.28)

Здесь Возбуждение синхронных машин – геометрическая сумма всех ЭДС, наведенных в об­мотке статора результирующим магнитным полем машины, обра­зованным совместным действием всех МДС (Fb, F1d, F1q)и пото­ком рассеяния статора Фσ1.

Активное сопротивление фазы обмотки статора r1у синхронных машин средней и большой мощности невелико, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения I1r1составляет настолько малую величину, что с некоторым допущением можно принять I1r1= 0. Тогда уравнение (20.28) можно записать в виде

Возбуждение синхронных машин . (20.29)

Выражения (20.28) и (20.29) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МДС статора F1без разделения ее по осям, так как в этих машинах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсных машинах Е1,равная индуктивному падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря ха, т. е.

Возбуждение синхронных машин . (20.30)

Поток реакции якоря Ф1и поток рассеяния статора Фσ1 созда­ются одним током I1, поэтому индук­тивные сопротивления хаи x1 можно рассматривать как суммарное индуктивное сопротивление

хс = ха х1,

представляющее собой синхронное сопротивление неявнополюсной машины. С учетом этого ЭДС реакции якоря Е1и ЭДС рассея­ния Еσ1следует рассматривать также как сумму

Возбуждение синхронных машин , (20.31)

представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсной машины.

С учетом изложенного уравнение напряжений неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

Возбуждение синхронных машин (20.32)

или

Возбуждение синхронных машин . (20.33)

§

Воспользовавшись уравнением ЭДС (20.28), построим век­торную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток Возбуждение синхронных машин отстает по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин ). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. Возбуждение синхронных машин ; тока нагрузки Возбуждение синхронных машин и его угла сдвига ψ1, относительно ЭДС Возбуждение синхронных машин ; продольного xadи поперечного хaqиндуктивных сопротивлений реакции якоря; ак­тивного сопротивления фазной обмотки статора r1.

При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 87. Векторные диаграммы явнополюсного (а и б) и неявнополюс-

ного (в и г) синхронных генераторов: а и в – при активно-инцуктивной нагрузке;

б и г – при активно-емкостной нагрузке

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис. 87, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС Возбуждение синхронных машин и под утлом ψ1 к нему – вектор тока Возбуждение синхронных машин . Последний разло­жим на составляющие: реактивную Возбуждение синхронных машин и активную Возбуждение синхронных машин . Далее, из конца вектора Возбуждение синхронных машин откладываем векторы ЭДС Возбуждение синхронных машин , Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин .

Соединив конец вектора Возбуждение синхронных машин с точкой О,получим век­тор напряжения Возбуждение синхронных машин ,значение которого равно геометрической сумме векторов ЭДС.

При построении векторной диаграммы генератора, работаю­щего на активно-емкостную нагрузку (ток Возбуждение синхронных машин , опережа­ет по фазе ЭДС Возбуждение синхронных машин ), вектор тока Возбуждение синхронных машин откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 87, б), а направление вектора Возбуждение синхронных машин устанавливают со­гласно с направлением вектора ЭДС Возбуждение синхронных машин ,так как при емкостном ха­рактере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (20.32), при этом век­тор Возбуждение синхронных машин откладывают под углом ψ1 к вектору тока Возбуждение синхронных машин (рис. 87, в).

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому отражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным факто­ром, влияющим на изменение напряжения нагруженного генера­тора, является продольная составляющая магнитного потока яко­ря, создающая ЭДС Возбуждение синхронных машин ;при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку, т. е. с током Возбуждение синхронных машин , отстающим по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин , напряжение на выводах обмотки статора Возбуждение синхронных машин с увеличе­нием нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-емкостную нагрузку (с током Возбуждение синхронных машин опережающим по фазе ЭДС Возбуждение синхронных машин ) напряжение Возбуждение синхронных машин с увеличением нагрузки повышается, что объясня­ется подмагничивающим влиянием реакции якоря (рис. 87, г).

§

Свойства синхронного генератора определяются характери­стиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регу­лировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора.Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U1 = Eот тока возбуждения Iв0 при n1 = const. Схема включения синхронного генератора для снятия ха­рактеристики х.х. приведена на рис. 88, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах Возбуждение синхронных машин ¦(Iв*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (рис. 88, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Е*……………. 0,58 1,0 1,21 1,33 1,40 1,46 1,51

Iв*…………….. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Здесь E* = E/U1ном – относительная ЭДС фазы обмотки ста­тора; I = Iв0/Iв0ном – относительный ток возбуждения; Iв0ном – ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е = U1ном.

Характеристика короткого замыкания.Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 89, а) и при вращении ротора с частотой вращения n1постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабо­чий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I = 1,25×I1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в не­сколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следо­вательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине ха­рактеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 89, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравне­нию с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r1 » 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генерато­ра (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного гене­ратора имеет продольно-размагничивающий характер.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 88. Опыт холостого хода синхронного генератора

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рис. 89, в. Из диаграммы вид­но, что ЭДС Возбуждение синхронных машин , инду­цируемая в обмотке ста­тора, полностью урав­новешивается ЭДС продольной реакции якоря Возбуждение синхронных машин и ЭДС рассеяния Возбуждение синхронных машин :

Возбуждение синхронных машин .

Возбуждение синхронных машин

Рис. 89. Опыт короткого замыкания син­хронного генератора

При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две со­ставляющие: одна ком­пенсирует падение на­пряжения Возбуждение синхронных машин , а дру­гая компенсирует раз­магничивающее влия­ние реакции якоря Возбуждение синхронных машин .

Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, со­ответствующие указан­ным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характери­стики х.х. и к.з. строят в одних осях (рис. 90), при этом на оси ор­динат отмечают относительные значения напряжения х.х. E* = E/U1номи тока к.з. Iк* = I/I1ном. На оси ординат отклады­вают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относительное значение ЭДС рассеяния Возбуждение синхронных машин . Затем точку Всносят на характеристику х.х. (точка В’) и опускают перпендикуляр B’Dна ось абсцисс. Полученная точка Dразделила ток возбуждения Iв0ном на две части: Iвх– ток возбуждения, необходимый для компен­сации падения напряжения Возбуждение синхронных машин , Возбуждение синхронных машин и Возбуждение синхронных машин – ток возбуждения, компен­сирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 90. Определение составляющих тока к.з.

Один из важных параметров синхронной машины – отно­шение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуж­дения Iв0ном соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения Iв.к.ном,соответствующему номиналь­ному току статора при опыте к.з. (рис. 89, б):

ОКЗ = Iв0ном/ Iв.к.ном. (20.34)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ¸ 0,7; для раторов ОКЗ = 1,0 ¸ 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устой­чивы при параллельной работе, имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие маши­ны имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем ма­шины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика.Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U1 = ¦(I1) при Iв = const; cosφ1 = const; n1 = nном = const. На рис. 91, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (cosφ1 = 1) уменьшение тока на­грузки I1сопровождается ростом напряжения U1, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослабле­нием размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cosφ1 < 1; инд.) увеличение U1при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I1ослабляется размагничивающее действие продольной со­ставляющей реакции якоря. Однако в случае емко­стной нагрузки генератора (cosφ1 < 1; емк.) уменьшение I1со­провождается уменьшением напряжения U1, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной состав­ляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при Iв = const и n1 = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

Возбуждение синхронных машин (20.35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому DU1номотрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U1при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежа­ние повреждения изоляций обмотки DUном не должно превышать 50%.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 91. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики син­хронного генератора

Регулировочная характеристика.Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: Iв = ¦(I1) при U1 = U1ном = const; n1 = nном = const и cosφ1 = const. На рис. 91, б представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cosφ1 = 1) увеличение тока нагрузки I1сопровождается уменьшени­ем напряжения U1,поэтому для поддержания этого напряжения неиз­менным по мере увеличения тока нагрузки I1следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cosφ1 <1; инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U1(рис. 91, а), по­этому ток возбуждения Iв, необходимый для поддержания U1 = U1ном, следует повышать в большей степени. При емкостном же харак­тере нагрузки (cosφ1 < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U1, поэтому для поддержания U1 = U1ном, ток воз­буждения следует уменьшать.

Контрольные вопросы

1. Из каких участков состоит магнитная цепь явно полюсной синхронной ма­шины?

2. В чем состоит явление реакции якоря?

3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной на­грузках синхронного генератора?

4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генера­тора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлени­ям эти ЭДС эквивалентны?

5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?

6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генера­тора?

7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?

8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной?

9. Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?

Лекция № 16

§

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рис. 92). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объяс­няемые теми же соображениями, которые были из­ложены применительно к параллельной работе трансформаторов.

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора Возбуждение синхронных машин в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети Возбуждение синхронных машин , частота ЭДС генератора Возбуждение синхронных машин должна быть равна часто­те переменного напряжения в сети Возбуждение синхронных машин ; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равносто­роннего треугольника.

При включении ламп по схеме «на погасание» (рис. 93, а) мо­мент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин враща­ется с угловой частотой Возбуждение синхронных машин , превышающей угловую частоту враще­ния Возбуждение синхронных машин звезды напряжений сети Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин . B этом случае напря­жение на лампах определяется геометрической суммой Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин (рис. 93, б). В момент сов­падения векторов звезды ЭДС с векторами звезды напряжений эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лам­пы горят с наибольшим накалом (напряжение на лампах равно удвоенно­му напряжению сети). В последующие моменты времени звезда ЭДС об­гоняет звезду напряжений и напряжение на лампах уменьшается.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 92. Включение синхронных генера­торов на параллельную работу:

Сейчас читают:  Недостатки, неисправности и отзывы о двигателях Renault K7M/К4M » Лада.Онлайн - все самое интересное и полезное об автомобилях LADA

Г1– Г4 – синхронные генераторы, ПД1–ПД4 – приводные двигатели

В момент синхрониза­ции векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при кото­ром Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин , т. е. Возбуждение синхронных машин , и все три лампы одновременно гаснут (рис. 93, в). При большой разности уг­ловых частот Возбуждение синхронных машин и Возбуждение синхронных машин лампы вспыхивают час­то. Изменяя частоту вращения первичного двигателя, добиваются равенства Возбуждение синхронных машин , о чем будет свидетельст­вовать погасание ламп на длительное время. В этот момент и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключен­ным к сети.

Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2–5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 93. Ламповый синхроноскоп

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздей­ствий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации) обычно применяют в генераторах при их частых включениях. Этот способ прост и легко автоматизируется.

§

Обычно совместно на одну сеть работают несколько синхрон­ных генераторов и мощность любого из них намного меньше сум­марной мощности всех остальных генераторов. Будем считать, что синхронный генератор подключают на параллельную работу с другими генераторами, суммар­ная мощность которых настолько велика по сравнению с мощно­стью подключаемого генератора, что при любых изменениях пара­метров этого генератора напря­жение сети Возбуждение синхронных машин и ее частота Возбуждение синхронных машин ос­таются неизменными.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 94. Векторные диаграммы синхронного генератора, вклю­ченного на параллельную работу в сеть большой мощности:

а – при работе без нагрузки; б – при работе с нагрузкой

После подключения генерато­ра в сеть при соблюдении всех ус­ловий синхронизации его ЭДС Возбуждение синхронных машин равна по значению и противопо­ложна по фазе напряжению сети (рис. 94, а), поэтому ток в цепи генератора равен нулю, т. е. гене­ратор работает без нагрузки. Меха­ническая мощность приводного двигателя Возбуждение синхронных машин в этом случае полно­стью затрачивается на покрытие потерь х.х.: Возбуждение синхронных машин .

Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора Возбуждение синхронных машин приводит к тому, что обмотка статора не создает вра­щающегося магнитного поля и в генераторе действует лишь магнитное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с угловой частотой Возбуждение синхронных машин , но не создающее электромагнитного мо­мента.

Если же увеличить вращающий момент приводного двигателя Возбуждение синхронных машин то ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол Возбуждение синхронных машин в на­правлении вращения. На такой же угол в окажется сдвинутым вектор ЭДС генератора Возбуждение синхронных машин относительно своего положения, соответствующего режиму х.х. генератора (рис. 94, б).

Возбуждение синхронных машин

Рис. 95. К понятию об электро­магнитном моменте синхронного генератора

В результате в цепи статора появится результирующая ЭДС Возбуждение синхронных машин , кото­рая создаст в цепи обмотки статора генератора ток Возбуждение синхронных машин . Если пре­небречь активным сопротивлением обмотки статора и считать со­противление этой обмотки чисто индуктивным, то ток Возбуждение синхронных машин , отстает по фазе от Возбуждение синхронных машин на угол 90° (рис. 94, б) и отстает по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин на угол Возбуждение синхронных машин .

Ток Возбуждение синхронных машин создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ро­тором и создающее вместе с полем ротора результирующее маг­нитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего поля Возбуждение синхронных машин не совпадает с продольной осью полюсов ротора Возбуждение синхронных машин : в синхронном генераторе ось полюсов ротораВозбуждение синхронных машинопережает ось результирующего поля машиныВозбуждение синхронных машин на угол Возбуждение синхронных машин (рис. 95, а).

Известно, что разноименные магнитные полюсы взаимно при­тягиваются, поэтому между намагниченными полюсами ротора и неявно выраженными полюсами вращающегося поля статора воз­никают силы магнитного притяжения Возбуждение синхронных машин (рис. 95, б).

Вектор этой силы на каждом полюсе ротора, направленный под углом Возбуждение синхронных машин к оси полюса, имеет две составляющие: Возбуждение синхронных машин – нормальная со­ставляющая, направленная по оси полюсов, и Возбуждение синхронных машин – тан­генциальная составляющая, направленная перпендикулярно оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих Возбуждение синхронных машин , на всех полюсах ротора создает на роторе синхронного генератора электромагнитный момент, направленный встречно вращающему­ся магнитному полю:

Возбуждение синхронных машин , (21.1)

где Возбуждение синхронных машин – диаметр ротора.

Из полученного выражения следует, что электромагнитный момент синхронной машины является синусоидальной функцией угла Возбуждение синхронных машин и может быть представлен выражением

Возбуждение синхронных машин , (21.2)

где: Возбуждение синхронных машин – максимальное значение электромагнитного момента, соответствующее значению угла Возбуждение синхронных машин эл. град.

Электромагнитный момент Возбуждение синхронных машин , возникающий на роторе генерато­ра, направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя Возбуждение синхронных машин , т. е. он является тормозящим моментом. На преодоление этого момента затрачивается часть мощности приводного двигателя, кото­рая представляет собой электромагнитную мощность

Возбуждение синхронных машин , (21.3)

где Возбуждение синхронных машин – угловая частота вращения ротора.

Таким образом, с появлением тока Возбуждение синхронных машин в обмотке статора син­хронного генератора, работающего параллельно с сетью, генера­тор получает электрическую нагрузку, а приводной двигатель (турбина, дизельный двигатель и т. п.) получает дополнительную механическую нагрузку. При этом механическая мощность при­водного двигателя Возбуждение синхронных машин расходуется не только на покрытие потерь х.х. генератора Возбуждение синхронных машин , но и частично преобразуется в электромагнит­ную мощность генератора Возбуждение синхронных машин , т. е.

Возбуждение синхронных машин . (21.4)

Следовательно, электромагнитная мощность синхронного генератора представляет собой электрическую активную мощ­ность, преобразованную из части механической мощности при­водного двигателя:

Возбуждение синхронных машин

Что же касается активной мощности на выходе синхронного генератора Возбуждение синхронных машин , отдаваемой генератором в сеть, т. е.

Возбуждение синхронных машин ,

то она меньше электромагнитной мощности Возбуждение синхронных машин на значение, рав­ное сумме электрических потерь в обмотке статора Возбуждение синхронных машин и добавочных потерь Возбуждение синхронных машин при нагрузке

Возбуждение синхронных машин . (21.5)

Следовательно, мощность на выходе синхронного генератора Возбуждение синхронных машин (активная нагрузка) при его параллельной работе с сетью регулируется изменением вращающего момента Возбуждение синхронных машин приводного двигателя:

Возбуждение синхронных машин ,

где: Возбуждение синхронных машин – угловая синхронная скорость вращения ротора синхронной машины, рад/с.

Если все слагаемые уравнения (21.4) разделить на угловую частоту Возбуждение синхронных машин , то получим уравнение моментов

Возбуждение синхронных машин . (21.6)

Из этого уравнения следует, что вращающий момент Возбуждение синхронных машин раз­виваемый приводным двигателем на валу генератора, равен сумме противодействующих моментов: момента х.х. Возбуждение синхронных машин , обусловленного потерями х.х. Возбуждение синхронных машин , и электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин , обусловленного нагрузкой генератора.

Момент х.х. Мо для данного генератора постоянен Возбуждение синхронных машин , поэтому нагрузка синхронного генератора возможна лишь за счет вращающего момента приводного двигателя, когда его значение превышает момент х.х., т. е. при Возбуждение синхронных машин

§

Электромагнитная мощность неявнополюсного синхронного генератора при его параллельной работе с сетью

Возбуждение синхронных машин , (21.7)

где Возбуждение синхронных машин – угол, на который продольная ось ротора смещена относи­тельно продольной оси результирующего поля машины (рис. 21.4).

Электромагнитная мощность явнополюсного синхрон­ного генератора

Возбуждение синхронных машин , (21.8)

где Возбуждение синхронных машин – синхронные индуктивные со­противления явнополюсной синхронной машины по продольной и поперечной осям соответственно, Ом.

Разделив выражения (21.7) и (21.8) на синхронную частоту вращения Возбуждение синхронных машин , получим выражения электромагнитных моментов:

неявнополюсной синхронной машины

Возбуждение синхронных машин ; (21.9)

явнополюсной синхронной машины

Возбуждение синхронных машин , (21.10)

где Возбуждение синхронных машин – электромагнитный момент, Н·м.

Анализ выражения (21.10) показывает, что электромагнитный момент явнополюсной машины имеет две составляющие: одна из них представляет собой основную составляющую электромаг­нитного момента

Возбуждение синхронных машин , (21.11)

другая – реактивную составляющую момента

Возбуждение синхронных машин . (21.12)

Основная составляющая электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин яв­нополюсной синхронной машины зависит не только от напряже­ния сети Возбуждение синхронных машин , но и от ЭДС Возбуждение синхронных машин , наведенной магнитным по­током вращающегося ротора Ф в обмотке статора:

Возбуждение синхронных машин . (21.13)

Это свидетельствует о том, что основная составляющая электро­магнитного момента Возбуждение синхронных машин зависит от магнитного потока ротора: Возбуждение синхронных машин . Отсюда следует, что в машине с невозбужденным рото­ром Возбуждение синхронных машин основная составляющая момента Возбуждение синхронных машин .

Реактивная составляющая электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин не зависит от магнитного потока полюсов ротора. Для возникновения этой составляющей достаточно двух условий: во-первых, чтобы ротор машины имел явновыраженные полюсы Возбуждение синхронных машин и, во-вторых, чтобы к обмотке статора было подведено напряжение сети Возбуждение синхронных машин . Подробнее физическая сущность реактивного момента.

При увеличении нагрузки синхронного генератора, т. е. с ростом тока Возбуждение синхронных машин происходит увеличение угла Возбуждение синхронных машин , что ведет к изменению элек­тромагнитной мощности генератора и его электромагнитного момен­та. Зависи­мость результирующего электромагнитного момента или электромаг­нитной мощности Возбуждение синхронных машин от угла Возбуждение синхронных машин представленная графиком 3, называется угловой характеристикой синхронной машины.

Максимальное значение электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин со­ответствует критическому значению угла Возбуждение синхронных машин .

Как видно из результирующей угловой характеристики (гра­фик 3), при увеличении нагрузки синхронной машины до значе­ний, соответствующих углу Возбуждение синхронных машин , синхрон­ная машина работает устойчиво. Объясняется это тем, что при Возбуждение синхронных машин рост нагрузки генерато­ра (увеличение Возбуждение синхронных машин ) со­провождается увеличе­нием электромагнитно­го момента. В этом слу­чае любой установив­шейся нагрузке соответ­ствует равенство враща­ющего момента первичного двигателя Возбуждение синхронных машин сумме противодействую­щих моментов, т. е. Возбуждение синхронных машин . В результате частота вращения ротора остается неизменной, равной синхронной частоте вращения.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 96. Угловая характеристика син­хронного генератора

При нагрузке, соответствующей углу Возбуждение синхронных машин , электромагнит­ный момент Возбуждение синхронных машин уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующих моментов. При этом избы­точная (неуравновешенная) часть вращающего момента первично­го двигателя Возбуждение синхронных машин вызывает увеличение частоты вращения ротора, что ведет к нарушению условий синхронизации (машина выходит из синхронизма).

Электромагнитный момент, соответствующий критическому значению угла Возбуждение синхронных машин , является максимальным Возбуждение синхронных машин .

Для явнополюсных синхронных машин Возбуждение синхронных машин эл. град.

Угол Возбуждение синхронных машин можно определить из формулы

Возбуждение синхронных машин . (21.14)

Здесь

Возбуждение синхронных машин . (21.15)

У неявнополюсных синхронных машин Возбуждение синхронных машин , а по­этому угловая характеристика представляет собой синусоиду и угол Возбуждение синхронных машин .

Отношение максимального электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин к но­минальному Возбуждение синхронных машин , называется перегрузочной способностью синхронной машины или коэффициентом статической перегружаемости:

Возбуждение синхронных машин . (21.16)

Пренебрегая реактивной составляющей момента, можно записать

Возбуждение синхронных машин , (21.17)

т. е. чем меньше угол Возбуждение синхронных машин , соответствующий номинальной на­грузке синхронной машины, тем больше ее перегрузочная способ­ность. Например, у турбогенератора Возбуждение синхронных машин , что соответст­вует Возбуждение синхронных машин .

§

Рассмотрим работу синхронного генератора, если после подключения его к сети для параллельной работы изменить ток в его обмотке возбуждения, оставив неизменным вращающий момент приводного двигателя? Предположим, что генератор после подключения на сеть работает без нагрузки и его ЭДС Возбуждение синхронных машин уравновешивает напряжение сети Возбуждение синхронных машин . Если при этом увеличить ток в обмотке возбуждения, т. е. пере­возбудить машину, то ЭДС Возбуждение синхронных машин увеличится до значения Возбуждение синхронных машин в цепи генератора появится избыточная ЭДС Возбуждение синхронных машин (рис. 97, а), вектор которой совпадает по направлению с вектором ЭДС Возбуждение синхронных машин . Ток Возбуждение синхронных машин , вызванный ЭДС Возбуждение синхронных машин , будет отставать от нее по фазе на 90° (поскольку Возбуждение синхронных машин ). По отношению к ЭДС Возбуждение синхронных машин этот ток также будет отстающим (индуктивным). С увеличением перевоз­буждения значение реактивного (индуктивного) тока увеличится.

Если же после того, как генератор подключен к сети, умень­шить ток возбуждения, т. е. недовозбудить машину, то ЭДС Возбуждение синхронных машин уменьшится до значения Возбуждение синхронных машин и в цепи генератора опять будет действовать избыточная ЭДС Возбуждение синхронных машин . Теперь вектор этой ЭДС будет совпадать по направлению с вектором напряжения сети Возбуждение синхронных машин (рис. 97, б), и поэтому ток Возбуждение синхронных машин , вызванный этой ЭДС и отстающий от нее по фазе на 90°, будет опере­жающим (емкостным) по отношению к ЭДС генератора Возбуждение синхронных машин .

Возбуждение синхронных машин

Рис. 97. Векторные диаграммы ЭДС синхрон­ного генератора,

вклю­ченного на параллельную работу

Показанное на векторных диа­граммах можно объяснить следующим. При перевозбуждении генера­тора увеличивается МДС возбуждения Возбуждение синхронных машин . Это сопровож­дается появлением в обмотке статора реактивного тока Возбуждение синхронных машин , который по отношению к ЭДС является отстающим (индуктивным). Вы­званная этим током продольно-размагничивающая реакция якоря компенсирует избыточную МДС возбуждения так, что ЭДС генератора остается неизменной. Такой же процесс происходит и при недовозбуждении генератора с той лишь разницей, что в обмотке появляется опережающий (емкостный) ток Возбуждение синхронных машин , а вызванная этим током продольно-намагничивающая реакция якоря компен­сирует недостающую МДС возбуждения.

Следует иметь в виду, что ток Возбуждение синхронных машин , отстающий по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин , по отношению к напряжению сети Возбуждение синхронных машин является опережающим током и, наоборот, ток Возбуждение синхронных машин , опережаю­щий по фазе ЭДС Возбуждение синхронных машин , является отстающим по отношению к на­пряжению Возбуждение синхронных машин .

Возбуждение синхронных машин

Рис 98. U – образные характери­стики синхронного генератора

Если при всех изменениях тока возбуждения вращающий момент приводного двигателя остается неизменным, то также неизменной остается активная мощность генератора:

Возбуждение синхронных машин .

Из этого выражения следует, что при Возбуждение синхронных машин активная со­ставляющая тока статора Возбуждение синхронных машин .

Таким образом, степень возбуждения синхронного генератора влияет только на реактивную составляющую тока статора. Что же касается активной составляющей тока Возбуждение синхронных машин , то она остается неизменной.

Зависимость тока статора Возбуждение синхронных машин от тока в обмотке возбуждения Возбуждение синхронных машин при неизменной активной нагрузке генератора выражается графически U – образной кривой. На рис. 98 представлены U – образные характеристики Возбуждение синхронных машин при Возбуждение синхронных машин , построенные для разных значений активной нагрузки: Возбуждение синхронных машин ; Возбуждение синхронных машин и Возбуждение синхронных машин . U – образные характеристики синхронного генератора показы­вают, что любой нагрузке генератора соответствует такое зна­чение тока возбуждения Возбуждение синхронных машин , при котором ток статора Возбуждение синхронных машин , стано­вится минимальным и равным только активной составляющей: Возбуждение синхронных машин . В этом случае генератор работает при коэф­фициенте мощности Возбуждение синхронных машин . Значения тока возбуждения, соот­ветствующие Возбуждение синхронных машин при различной нагрузке генератора, пока­заны на рис. 98 пунктирной кривой. Некоторое отклонение этой кривой вправо указывает на то, что при увеличении нагрузки ток возбуждения, соответствующий Возбуждение синхронных машин , несколько возрастает. Объясняется это тем, что при росте нагрузки необходимо некоторое увеличение тока возбуждения, компенсирующее активное па­дение напряжения.

Необходимо иметь в виду, что при постепенном уменьшении тока возбуждения наступает такое минимальное его значение, при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается на­столько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из синхронизма – нарушается магнитная связь между возбужден­ными полюсами ротора и вращающимся полем статора. Если со­единить все точки минимально допустимых значений тока возбу­ждения на U – образных характеристиках (штриховая линия в левой части рис. 98), то получим линию предела устойчивости рабо­ты синхронного генератора при недовозбуждении.

Сейчас читают:  Замена каталитического нейтрализатора Рено Логан Сандеро (Renault Sandero Logan): пошаговая инструкция

С точки зрения уменьшения потерь генератора наиболее вы­годным является возбуждение, соответствующее минимальному току статора, т. е. когда Возбуждение синхронных машин . Но в большинстве случаев на­грузка генератора имеет индуктивный характер и для компенсации индуктивных токов (отстающих по фазе от напряжения сети) при­ходится несколько перевозбуждать генератор, создавая условия, при которых ток статора Возбуждение синхронных машин , опережает по фазе напряжение сети Возбуждение синхронных машин . Следует отметить, что для сохранения Возбуждение синхронных машин , неизменным при изменениях активной нагрузки генератора требуется одновремен­ное изменение тока возбуждения генератора.

Лекция № 17

§

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин синхронная машина может рабо­тать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть боль­шой мощности.

Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоро­стью Возбуждение синхронных машин . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора Возбуждение синхронных машин смещена отно­сительно оси вращающегося поля Возбуждение синхронных машин на угол Возбуждение синхронных машин в направлении вращения ротора (рис. 99, справа). Вращающий момент приводного двигателя Возбуждение синхронных машин уравновешивается суммой электромагнитного мо­мента генератора Возбуждение синхронных машин и момента х.х. Возбуждение синхронных машинВозбуждение синхронных машин . На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.

Если уменьшать вращающий момент Возбуждение синхронных машин , то на­грузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол Возбуждение синхронных машин , а следовательно, и ток статора Возбуждение синхронных машин . В итоге снизится величина электро­магнитного момента Возбуждение синхронных машин и при вращающем моменте Возбуждение синхронных машин угол Возбуждение синхронных машин , т. е. генератор будет работать в режиме х.х. Возбуждение синхронных машин и ЭДС генератора Возбуждение синхронных машин окажется в противофазе с напряжением сети Возбуждение синхронных машин . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пе­ресечения осей координат (точка О на рис. 99). Ес­ли же вал синхронной машины отсоединить от при­водного двигателя и создать на этом валу тор­мозной момент, т.е. момент нагрузки Возбуждение синхронных машин , на­правленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС Возбуждение синхронных машин на угол – Возбуждение синхронных машин относительно его положения в режиме х.х. в сторону отставания (рис. 99, слева). При этом в цепи обмотки ста­тора появится результирующая ЭДС Возбуждение синхронных машин , которая соз­даст в обмотке статора ток Возбуждение синхронных машин , отстающий по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин на угол 90° (предполагается Возбуждение синхронных машин ) и отстающий по фазе от напряже­ния сети Возбуждение синхронных машин на угол Возбуждение синхронных машин , (в генераторном режиме ток Возбуждение синхронных машин , отстает по фазе от ЭДС Возбуждение синхронных машин на угол Возбуждение синхронных машин ).

Возбуждение синхронных машин

Рис. 99. Переход синхронной машины из генераторного режима в двигательный

Ток Возбуждение синхронных машин создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ро­тором, ось которого Возбуждение синхронных машин смещена относительно продольной оси полюсов ротора Возбуждение синхронных машин на угол – Возбуждение синхронных машин . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. 99, слева), что соответствует углу – Возбуждение синхронных машин . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов Возбуждение синхронных машин создадут на роторе двигателя электромаг­нитный момент Возбуждение синхронных машин , направленный согласно с вращающим маг­нитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой Возбуждение синхронных машин . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механиче­скую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент Возбуждение синхронных машин преодолевает момент х.х. Возбуждение синхронных машин и создает на валу двигателя по­лезный момент Возбуждение синхронных машин , под действием которого приводится во вра­щение исполнительный механизм:

Возбуждение синхронных машин .

Все значения момента на угловой характеристике синхронно­го двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генератор­ного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генератор­ном режиме. Оперирова­ние с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудоб­но, поэтому при рассмот­рении синхронных двига­телей условно будем при­нимать моменты и мощ­ности положительными, помня при этом изложен­ное ранее о направлении этих параметров.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 100. Угловая характеристика син­хронного двигателя

Электромагнитная мощность синхронного двигателя опре­деляется выражениями (21.7) и (21.8), а электромагнитный момент – (21.9) и (21.10).

Угловые характеристики электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин и его составляющих Возбуждение синхронных машин и Возбуждение синхронных машин представлены на рис. 100. Эти характеристики отличаются от угловых характери­стик генератора (см. рис. 96) лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицатель­ными значениями углов Возбуждение синхронных машин и моментов Возбуждение синхронных машин и Возбуждение синхронных машин , а также момента Возбуждение синхронных машин при Возбуждение синхронных машин .

Таким образом, в общем виде угловая характеристика син­хронной машины представляет собой две полуволны результи­рующего момента Возбуждение синхронных машин : положительную, соответствующую генера­торному режиму работы (см. рис. 96), и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рис. 100). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при Возбуждение синхронных машин .

Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рис. 100) при Возбуждение синхронных машин .

Отношение максимального электромагнитного момента Возбуждение синхронных машин к номинальному Возбуждение синхронных машин [см. (21.16)] определяет перегрузочную спо­собность синхронного двигателя

Возбуждение синхронных машин .

Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей Возбуждение синхронных машин , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует Возбуждение синхронных машин эл. град.

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с син­хронной частотой Возбуждение синхронных машин . Чтобы убедиться в этом, достаточ­но предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с часто­той Возбуждение синхронных машин . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающего­ся магнитного поля статора и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающе­гося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.

Вращение ротора синхронных двигателей только с синхрон­ной частотой составляет характерную особенность этих двигате­лей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).

При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя ме­няется угол Возбуждение синхронных машин . При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие но­вой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные дви­жения. Таким образом, в синхронном двигателе, так же как и в генераторе, имеют место колебания.

По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некото­рые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с Возбуждение синхронных машин полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучше­нию ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пуско­вого тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она яв­ляется пусковой обмоткой; ширина полюсного нако­нечника достигает Возбуждение синхронных машин вместо Возбуждение синхронных машин в генераторах. Поэтому, не­смотря на свойство обратимости, синхронные машины, вы­пускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.

§

U – образные характеристики. В процессе работы синхронно­го двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых Возбуждение синхронных машин [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети Возбуждение синхронных машин . Эта сумма ЭДС эквивалентна ре­зультирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения Возбуждение синхронных машин и статора Возбуждение синхронных машин .

При неизменном напряжении сети Возбуждение синхронных машин резуль­тирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения Возбуждение синхронных машин (изменении тока возбуждения Возбуждение синхронных машин ) МДС ста­тора Возбуждение синхронных машин изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным ре­зультирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изме­нение МДС Возбуждение синхронных машин может происходить только за счет изменения вели­чины и фазы тока статора Возбуждение синхронных машин , т. е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора Возбуждение синхронных машин .

Например, при увеличении тока возбуждения Возбуждение синхронных машин , начиная от наименьшего его значения Возбуждение синхронных машин возрастает МДС ротора, при этом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происхо­дит при уменьшении индуктивной (по отношению к напряжению сети Возбуждение синхронных машин ) составляющей тока статора Возбуждение синхронных машин , которая оказывает на маг­нитную систему подмагничивающее влияние.

При этом полный ток статора Возбуждение синхронных машин уменьшается, а ко­эффициент мощности двигателя Возбуждение синхронных машин , увеличивается. При неко­тором значении тока возбуждения Возбуждение синхронных машин индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет ми­нимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным Возбуждение синхронных машин , а коэффициент мощности Возбуждение синхронных машин .

Увеличение тока возбуждения сверх значения Возбуждение синхронных машин , т. е. пере­возбуждение двигателя, вызовет увеличение тока Возбуждение синхронных машин , но те­перь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению Возбуждение синхронных машин . Таким образом, при недовозбужденииВозбуждение синхронных машинсинхронный двигатель работает с отстающим током, а при пе-ревозбужденииВозбуждение синхронных машинс опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U – образными характеристиками (рис. 103).

То есть, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их цен­ным качеством, которое используют для повышения коэффициен­та мощности электрических установок.

Аналогично синхронному генератору, включенному на парал­лельную работу с сетью, синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штри­ховая линия в левой части рис. 103).

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора Возбуждение синхронных машин , потребляемой мощности Возбуждение синхронных машин полезного момента Возбуждение синхронных машин , коэффициента мощности Возбуждение синхронных машин и тока в обмотке статора Возбуждение синхронных машин от по­лезной мощности двигателя Возбуждение синхронных машин (рис. 104). Частота вращения рото­ра Возбуждение синхронных машин всегда равна синхронной частоте Возбуждение синхронных машин , поэтому гра­фик Возбуждение синхронных машин имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс, Полезный момент на валу синхронного двигателя Возбуждение синхронных машин . Так как рабочие характеристики снимают при условии Возбуждение синхронных машин , то график Возбуждение синхронных машин имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя Возбуждение синхронных машин . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери Возбуждение синхронных машин поэтому потребляемая мощность Возбуждение синхронных машин растет быстрее полезной мощ­ности Возбуждение синхронных машин и график Возбуждение синхронных машин имеет несколько криволинейный вид.

Вид графика Возбуждение синхронных машин зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х.х. ток возбуждения установлен та­ким, что Возбуждение синхронных машин , то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить Возбуждение синхронных машин при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке – отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы Возбуждение синхронных машин при средней нагрузке (рис. 22.6). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы Возбуждение синхронных машин был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке Возбуждение синхронных машин и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхрон­ные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Возбуждение синхронных машин

Рис. 103. U – образные характери­стики Рис. 104. Рабочие характеристики

синхронного двигателя синхронного двигателя

Ток в обмотке статора двигателя Возбуждение синхронных машин . Из этого выражения видно, что ток Возбуждение синхронных машин с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность Возбуждение синхронных машин , вследствие уменьшения Возбуждение синхронных машин .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигате­ли по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заклю­чающееся в том, что они могут работать с Возбуждение синхронных машин , не создавая в питающей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети Возбуждение синхронных машин , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен Возбуждение синхронных машин [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных дви­гателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и ре­гулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).

Контрольные вопросы

1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя?

3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

4. Каково назначение синхронного компенсатора?

5. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными?

Закладка Постоянная ссылка.
1 ЗвездаНельзя так писать о ЛоганеЧто-то о новом Логане так себе написаноЛоган - супер машинаРено Логан лучше всех! (1 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...